在小鼠实验性急性脊髓损伤后，使用[18F]GSK1482160对P2X7R介导的神经炎症进行时空PET成像

《Brain, Behavior, and Immunity》：Spatiotemporal PET imaging of P2X7R-driven neuroinflammation using [18F]GSK1482160 after experimental acute spinal cord injury in mice

脊髓损伤后神经炎症的P2X7受体靶向PET/CT动态监测及治疗研究。通过[18F]GSK1482160示踪剂在急性小鼠SCI模型中发现受体激活与Basso评分显著相关，28天达峰值摄取。拮抗剂干预验证P2X7R在炎症级联中的关键作用，影像结果与病理数据一致。

　　

作者：施嘉兴、王坤、侯玉义、吴思睿、邱一凡、刘翔、黄丽华、张世彦金、金洪军、卢海

单位：中山大学第五附属医院脊柱外科，中国广东省珠海市519000

摘要

背景

脊髓损伤（SCI）后严重的炎症级联反应是导致继发性损伤的主要因素。精确监测和有效干预神经炎症对于功能恢复至关重要。SCI发生后，小胶质细胞会在损伤部位聚集，其表面的P2X7受体（P2X7R）会显著激活。然而，P2X7R在SCI中的时空激活特征及其作用仍不清楚。在本研究中，我们使用[¹⁸F]FDG作为参考示踪剂，评估了P2X7R特异性PET示踪剂[¹⁸F]GSK1482160动态追踪SCI后神经炎症时空进展的可行性。

方法

建立了急性SCI小鼠模型。对SCI（n=60）和对照组（n=48）小鼠进行了[¹⁸F]GSK1482160和[¹⁸F]FDG的PET/CT成像。在损伤后1天、3天、7天、14天和28天（dpi）分别进行了Basso小鼠评分（BMS）、组织染色和Western blotting（WB）分析。为了评估治疗潜力，给SCI小鼠施用了选择性P2X7R拮抗剂，并评估了其效果。

结果

在损伤后1天，SCI小鼠中的[¹⁸F]GSK1482160摄取量低于同期对照组（0.54±0.10 vs 1.00±0.10）。从损伤后3天（1.14±0.13 vs 0.96±0.14）到28天（3.16±0.20 vs 1.00±0.13），[¹⁸F]GSK1482160的摄取量显著增加，并且与BMS评分显著相关。相比之下，[¹⁸F]FDG的摄取量在整个观察期间保持较高水平，与BMS评分无相关性。P2X7R拮抗剂处理显著降低了损伤后7天[¹⁸F]GSK1482160的摄取量（1.51±0.17 vs 1.94±0.21），并改善了BMS评分。组织学发现和WB结果与成像结果一致。除非另有说明，每个时间点的每组样本量为6只，数据以平均值±标准差表示。

结论

P2X7R靶向的PET/CT分子成像能够监测SCI后神经炎症的时空演变。这些发现支持P2X7R靶向干预的治疗潜力，并强调了P2X7R在推进SCI管理和个性化精准治疗中的重要性。

引言

脊髓损伤（SCI）是一种具有严重后果的临床疾病，最初由原发性机械创伤引起，随后由继发性炎症级联反应放大。它可能导致暂时性或永久性的感觉、运动和自主功能障碍。全球每年约有50万至100万新的SCI病例，其中约90%由创伤原因引起（Wiles等人，2024年；Walsh等人，2023年），主要影响15-29岁的个体。在SCI患者中，高达98%会出现运动障碍（Shang等人，1976年），急性期的院内死亡率约为17%（Hu等人，2023年）。由于高发病率和死亡率，SCI对社会造成了巨大的经济负担（Wiles等人，2024年）。 SCI中原发性机械损伤的严重程度由撞击时的瞬时力量决定，而继发性损伤级联反应在损伤后几分钟内开始，主要由炎症驱动，导致脊髓组织更广泛的损伤（Ahuja等人，2017年；Hellenbrand等人，2021年；Roolfs等人，2022年；Mussen等人，2023年；Zeng等人，2019年）。小胶质细胞是这种继发性神经炎症反应的关键介质。先前的研究报道，在SCI后损伤部位及其周围有大量的三磷酸腺苷（ATP）和活化的小胶质细胞积累（Hu等人，2023年；Wang等人，2004年）。作为嘌呤能信号分子，ATP激活小胶质细胞的P2X7受体（P2X7R），导致Ca²⁺内流、丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）通路和NOD样受体蛋白3炎性体（NLRP3）的激活，以及活性氧（ROS）、促炎细胞因子（如白细胞介素-1β（IL-1β）和诱导型一氧化氮合酶（iNOS）的产生（Wang等人，2004年；Yin等人，2023年；Liu等人，2023年）。这一过程会进一步放大炎症级联反应，从而加剧神经元损伤。 P2X7R是一种表达在小胶质细胞上的膜蛋白，在中枢神经系统（CNS）损伤背景下与小胶质细胞激活的促炎表型密切相关（Yin等人，2023年）。尽管P2X7R在SCI中的作用已初步得到证实，但以往的研究主要依赖于离体采样。因此，尚未实现损伤后炎症变化的动态体内监测（Wang等人，2004年；Peng等人，2009年；Fan等人，2024年）。SCI是一个高度动态的病理过程，非侵入性地监测继发性炎症级联反应的能力对于阐明疾病进展和预测临床结果至关重要（Zhang等人，2021年；Bertoglio等人，2022年）。目前，磁共振成像（MRI）是指导SCI临床管理的主要结构成像方法。然而，MRI缺乏检测损伤部位分子变化的敏感性，也无法可靠地捕捉动态病理生理过程（Zhang等人，2021年）。 相比之下，正电子发射断层扫描/计算机断层扫描（PET/CT）在细胞和受体水平上提供了动态、定量和高度特异性的分子成像能力，从而能够可视化体内的神经炎症。尽管[¹⁸F]氟脱氧葡萄糖（[¹⁸F]FDG）PET已被用于评估受损脊髓内的代谢活动，但它缺乏细胞特异性，并受到损伤微环境中多种细胞类型代谢信号的干扰。这些限制降低了其在描绘神经炎症反应的空间分布和强度方面的准确性（Bertoglio等人，2022年；Zhang等人，2021年）。因此，开发针对特定分子标志物的新型PET示踪剂对于阐明继发性炎症反应的时间动态和评估SCI的治疗效果至关重要。值得注意的是，活化小胶质细胞上P2X7R的过表达与SCI的进展相关（Skinnider等人，2024年；Territo等人，2017年），这使得P2X7R成为PET成像的一个有前景的分子靶点。 基于以往的研究（Zhang等人，2023年），本研究旨在探索P2X7R特异性示踪剂[¹⁸F]GSK1482160用于动态监测急性SCI后继发性炎症级联反应的可行性。此外，还使用了一种高度选择性的P2X7R拮抗剂来验证P2X7R在SCI诱导的神经炎症中的作用，并评估其减轻炎症进展的治疗潜力（Zhang等人，2023年）。

生物信息学分析

我们从Gene Expression Omnibus（GEO）数据库（GSE230765：https://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo/query/acc.cgi?acc=GSE230765）获取了公开的单核RNA测序（snRNA-seq）数据。该数据集包括C57BL/6小鼠在三个时间点的胸段脊髓样本：未受伤（UN）、损伤后7天（dpi）和损伤后2个月（mpi）。所有后续分析均使用了数据集作者提供的标准化表达矩阵。

SCI后小胶质细胞主导P2rx7的表达

为了阐明脊髓损伤（SCI）后损伤中心P2X7受体（P2X7R）的表达动态和细胞类型特异性，我们分析了GSE230765数据集中的单核RNA测序（snRNA-seq）数据。基于均匀流形逼近和投影（UMAP）的降维和聚类分析显示，损伤后免疫相关谱系显著扩增，特别是在损伤后7天小胶质细胞亚群有明显的聚集。

讨论

SCI后的继发性炎症级联反应是一个持续的神经炎症过程，会显著加剧神经组织损伤并阻碍功能恢复（Hu等人，2023年；Hellenbrand等人，2021年）。很少有研究实现了SCI后神经炎症的动态和定量体内监测。特别是对损伤中心及其相邻脊髓段内继发性神经炎症的时间动态的系统研究仍然很少。

结论

我们利用P2X7R靶向的PET/CT实现了急性SCI小鼠模型中继发性神经炎症的纵向、定量监测，从而能够精确描述炎症驱动的损伤级联反应的时空演变。我们进一步评估了P2X7R拮抗剂作为抗炎剂的治疗潜力，强调了P2X7R作为管理SCI后神经炎症的有希望的目标的转化相关性。这些发现为此提供了基础。

作者贡献声明

施嘉兴：撰写——原始草稿、软件、资源、方法学、研究、数据分析、数据管理。 王坤：撰写——原始草稿、研究、资金获取、数据分析、数据管理。 侯玉义：软件、资源、研究、数据分析。 吴思睿：可视化、软件。 邱一凡：软件、数据分析。 刘翔：方法学、研究。 黄丽华：方法学、研究。 张世彦金：撰写——原始草稿。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢芬兰图尔库PET中心的Han Chunlei教授提供的Carimas软件。

资助

本研究得到了以下机构的支持： - 国家自然科学基金（编号：82372004、82150610508、81871382）； - 澳门科学技术发展基金的关键研究与发展项目（编号：0007/2022/AKP）； - 广东省的关键研发计划（编号：2018B030337001）； - 帕洲实验室（黄浦）的研发项目（编号：2023K0604）； - 联合资助。